Wetenschap
Onderzoekers ontwikkelen nanotechnologie om binnen enkele seconden nanodeeltjesmonolagen op wafelschaalschaal te creëren
Materialen op nanoschaal bieden ons verbazingwekkende chemische en fysische eigenschappen die ons helpen toepassingen zoals enkelvoudige moleculaire detectie en minimaal invasieve fotothermische therapie – die ooit slechts theorieën waren – werkelijkheid te laten worden.
De unieke eigenschappen van nanodeeltjes maken ze tot lucratieve materialen voor een breed scala aan toepassingen, zowel voor onderzoek als industriële doeleinden. Het bereiken van dit laatste wordt echter moeilijk vanwege het ontbreken van een techniek voor snelle en uniforme overdracht van een monolaag van nanodeeltjes, wat cruciaal is voor de fabricage van apparaten.
Een mogelijke uitweg uit dit dilemma is het toepassen van elektrostatische assemblageprocessen waarbij de nanodeeltjes zich hechten aan een tegengesteld geladen oppervlak, en zodra een monolaag is gevormd, beperken de nanodeeltjes vervolgens zelf de verdere assemblage door andere vergelijkbaar geladen nanodeeltjes van het oppervlak af te stoten. Helaas kan dit proces erg tijdrovend zijn.
Terwijl kunstmatige methoden met deze nadelen worstelen, zijn onderwateradhesieprocessen die in de natuur voorkomen, geëvolueerd tot unieke strategieën om dit probleem te overwinnen.
In dit opzicht heeft een team van onderzoekers van het Gwangju Institute of Science and Technology, onder leiding van Ph.D. student Doeun Kim (eerste auteur) en assistent-professor Hyeon-Ho Jeong (corresponderende auteur) hebben een "op mosselen geïnspireerde" one-shot assemblagetechniek voor nanodeeltjes ontwikkeld die materialen in 10 seconden van water in microscopisch kleine volumes naar 2-inch wafels transporteert, terwijl 2D monolaagse montage mogelijk is met een uitstekende oppervlaktedekking van ongeveer 40%.
Hun werk werd gepubliceerd in Advanced Materials en gemarkeerd als frontispice.
"Onze belangrijkste aanpak om de bestaande uitdaging te overwinnen kwam voort uit een observatie over hoe mosselen het doeloppervlak tegen water in bereiken. We zagen dat mosselen tegelijkertijd aminozuren uitstralen om watermoleculen op het oppervlak te dissociëren, waardoor een snelle hechting van de chemische lijm op het doeloppervlak mogelijk wordt. ", legt mevrouw Kim uit, terwijl ze spreekt over de motivatie achter de unieke, op de natuur geïnspireerde aanpak.
"We realiseerden ons een analoge situatie waarin we overtollige protonen introduceren om hydroxylgroepen van het doeloppervlak te verwijderen, waardoor de elektrostatische aantrekkingskracht tussen de nanodeeltjes en het oppervlak toeneemt en het assemblageproces wordt versneld."
De onderzoekers ontwikkelden het elektrostatische oppervlaktepotentieel voor zowel het doeloppervlak als de nanodeeltjes, aangedreven door protonendynamiek. Dit zorgde ervoor dat de nanodeeltjes binnen enkele seconden gelijkmatig op het doeloppervlak terechtkwamen.
Om de effectiviteit van de introductie van protontechniek in het elektrostatische assemblageproces te testen, vergeleek het team de assemblagetijd van de monolaag met conventioneel gebruikte technieken. De resultaten gaven aan dat de coatingsnelheid van de nieuwe techniek 100 tot 1000 keer sneller was dan eerder gerapporteerde methoden. De reden achter deze versnelde diffusie en assemblage van nanodeeltjes hield verband met het vermogen van protonen om ongewenste hydroxylgroepen op het doelgebied te verwijderen.
De onderzoekers ontdekten verder dat de ladingsgevoelige aard van het onderliggende proces deterministische "genezing" van monolaagfilms en "pick-and-place" nanopatronen op wafelschaal mogelijk maakt. Bovendien maakt de voorgestelde techniek ook de fabricage mogelijk van full-colour reflecterend metasurface op wafelniveau via plasmonische architectuur, waardoor nieuwe wegen worden geopend voor de productie van full-colour schilderijen en optische encryptie-apparaten.
Dit nieuwe, op de natuur geïnspireerde proof-of-concept is een belangrijke stap in de richting van een brede acceptatie van functionele monolaagmaterialen van nanomateriaal.
"Wij voorzien dat dit onderzoek de impact van functionele nanomaterialen op ons leven zal versnellen en de massaproductie van monolaagse films zal bevorderen, waardoor een breed scala aan toepassingen mogelijk zal worden gemaakt, variërend van fotonische en elektronische apparaten tot nieuwe functionele materialen voor energie- en milieutoepassingen. ”, besluit prof. Jeong.